摘要：為研究壽陽區(qū)塊南燕竹采氣區(qū)產(chǎn)水分異原因，對(duì)采氣區(qū)15#煤構(gòu)造特征、水動(dòng)力條件及壓裂特征進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)南燕竹采氣區(qū)受構(gòu)造條件及區(qū)域水動(dòng)力條件的影響，地層水由北部構(gòu)造及水頭相對(duì)高點(diǎn)向南部流動(dòng)，在南部形成地層水的“滯留區(qū)”，而煤巖本身低機(jī)械強(qiáng)度、高泊松比，加上區(qū)內(nèi)構(gòu)造煤的發(fā)育，導(dǎo)致壓裂裂縫呈“工”型在頂?shù)装逄幯诱?，這些壓裂裂縫與天然裂縫溝通了頂?shù)装甯浇暮畬?，從而在空間上造成南部煤層氣井產(chǎn)水量明顯高于北部。針對(duì)采氣區(qū)煤層氣井產(chǎn)水分異及發(fā)育構(gòu)造煤的特點(diǎn)，建議對(duì)南北煤層氣井分區(qū)調(diào)整排采設(shè)備及措施，進(jìn)行差異化排采以實(shí)現(xiàn)區(qū)域整體降壓，同時(shí)采用小井眼側(cè)鉆技術(shù)，在15#煤層中進(jìn)行多方位、多分支的側(cè)向鉆井，增加煤層有效裂縫的溝通范圍，提高單井產(chǎn)氣量。

關(guān)鍵詞：南燕竹采氣區(qū)；構(gòu)造特征；水動(dòng)力條件；壓裂特征；差異化排采；小井眼側(cè)鉆

引言

煤層氣井生產(chǎn)是排水降壓的過程，開采前期主要產(chǎn)水，液面穩(wěn)定連續(xù)地降低，煤層壓力降到臨界解吸壓力以下，煤層氣解吸、擴(kuò)散、滲流，并運(yùn)移至井筒產(chǎn)出[1，2]。地層水作為壓力的載體，不僅對(duì)煤儲(chǔ)層裂縫起到了支撐作用，同時(shí)也將壓降傳遞至裂縫遠(yuǎn)端。然而在同一個(gè)區(qū)塊，單井產(chǎn)氣量往往與產(chǎn)水量呈負(fù)相關(guān)，煤層氣井的排采以培育低產(chǎn)水高產(chǎn)氣井為目標(biāo)，井間產(chǎn)水量差異則是重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容[3]。筆者基于壽陽區(qū)塊南燕竹采氣區(qū)15#煤的構(gòu)造條件、水動(dòng)力特征以及壓裂特征，對(duì)其與煤層氣井產(chǎn)水量的關(guān)系進(jìn)行了分析，并針對(duì)煤層氣井產(chǎn)水分異及發(fā)育構(gòu)造煤的特點(diǎn)，對(duì)排采工藝及增產(chǎn)措施提出了改進(jìn)建議。

1 采氣區(qū)概況

壽陽區(qū)塊南燕竹采氣區(qū)位于山西省晉中市境內(nèi)，總體呈走向東西、向南傾斜的單斜構(gòu)造，局部發(fā)育不同方向的次一級(jí)褶皺，煤層氣勘探開發(fā)的主要目的層為太原組15#煤。截止2017年底，南燕竹采氣區(qū)共64口井投入生產(chǎn)，單井連續(xù)排采19-1049天，平均743天。單井日均產(chǎn)水0.62-86.63m3/d，平均17.10m3/d。其中，采氣區(qū)南部有20口連續(xù)排采600天以上的井日均產(chǎn)水突破20m3/d，液體產(chǎn)出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓裂注入量，表明該區(qū)域煤層氣井的產(chǎn)水出現(xiàn)明顯的外源補(bǔ)給，并在空間上產(chǎn)生了分異。

2 產(chǎn)水分異影響因素

2.1 褶皺構(gòu)造

背斜構(gòu)造由于其張力作用，裂隙較發(fā)育，煤儲(chǔ)層中水的流動(dòng)趨勢類似于地下水流動(dòng)的“補(bǔ)給區(qū)”。而向斜構(gòu)造由于壓實(shí)作用，裂隙不發(fā)育，在排水采氣過程中，接受來自翼部儲(chǔ)層中水的補(bǔ)給，排水強(qiáng)度最大，產(chǎn)水量高，壓降漏斗卻很小[4，5]。

南燕竹采氣區(qū)15#煤整體呈向南西方向傾斜的單斜構(gòu)造，采氣區(qū)北部為長軸約1km的背斜，向南地層傾角變大。目前生產(chǎn)井主要分布在隆起背斜的核部及南翼，東南部煤層氣井投產(chǎn)不足3個(gè)月?？傮w來看，日均產(chǎn)水量大于20m3/d的高產(chǎn)水井主要集中在背斜的南翼（圖1），表明褶皺構(gòu)造的相對(duì)高點(diǎn)處由于地勢高且裂隙發(fā)育，不利于地層水的聚集、保存，即使接收含水層的補(bǔ)給，也沒有形成地層水“滯留區(qū)”，而是向構(gòu)造低點(diǎn)運(yùn)移，從而造成煤層氣井產(chǎn)水量在構(gòu)造部位上的分異。

2.2 地層水動(dòng)力

區(qū)域水動(dòng)力條件對(duì)煤層水的產(chǎn)出起著重要作用[6，7]，采氣區(qū)內(nèi)15#煤試井滲透率在0.01mD以下，煤層水流動(dòng)性較差，且煤層本身含水性低，故煤層氣井的初始水頭也反映了15#煤上覆含水層的水動(dòng)力特征。將南燕竹采氣區(qū)內(nèi)煤層氣井動(dòng)液面深度（即液面與井口的距離），以海平面為基準(zhǔn)面，換算出各井點(diǎn)初始水頭及液柱高度：

（1）

式中：h-初始水頭，m；GL-井口海拔，m；D0-井點(diǎn)初始動(dòng)液面深度，m；H0-井點(diǎn)初始液柱高度，m；Z-煤層頂板埋深，m。

煤層氣井初始水頭北部高、南部低（圖2），表明地層水呈現(xiàn)由北向南的流動(dòng)趨勢，而煤層氣井初始液柱高度均在140m以上且南部液柱相對(duì)更高，表明該區(qū)域相對(duì)處于地層水聚集區(qū)。煤層氣井的排采破壞了區(qū)域原始水動(dòng)力場，排采初期由于煤層處于承壓狀態(tài)，產(chǎn)水差別不大，隨著排采的進(jìn)行，地層水經(jīng)井筒排出地表的同時(shí)，也由采氣區(qū)北部向南部流動(dòng)，從而在空間上造成采氣區(qū)南部煤層氣井地層水補(bǔ)給量高于北部。

圖1 南燕竹采氣區(qū)15#煤底板構(gòu)造圖

圖2 采氣區(qū)煤層氣井初始水頭等值線圖

2.3 壓裂溝通含水層

南燕竹采氣區(qū)周邊煤礦的生產(chǎn)表明，本區(qū)域15#煤層本身含水性差，煤層氣井通過井筒附近的天然裂縫及壓裂裂縫，與頂板灰?guī)r及砂巖含水層溝通，從而獲得大量地層水的補(bǔ)給。

采氣區(qū)15#壓裂曲線以波浪形為主（圖3），表明15#煤的裂縫形態(tài)復(fù)雜且延伸不長，主要以短而寬的裂縫形態(tài)為主，而這種裂縫的形成與煤層的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)[8-10]。煤巖抗張強(qiáng)度低，壓裂時(shí)易破裂，而其相對(duì)較高泊松使得煤巖在壓裂過程中易產(chǎn)生形變，支撐劑難以有效保持壓裂裂縫的延展，因此煤巖更易形成短寬裂縫。此外，采氣區(qū)15#煤形成過程中受構(gòu)造作用影響明顯，碎裂煤及碎粒煤非常發(fā)育，導(dǎo)致壓裂過程中壓裂液及支撐劑與煤粉混合堵塞天然裂縫，導(dǎo)致近井筒地帶的憋壓。煤層與頂?shù)装宓慕唤缣幋嬖谝粋€(gè)弱面，弱面上下巖層的力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異，將在層間形成較大的應(yīng)力差，在弱面處造成一個(gè)低應(yīng)力區(qū)[11，12]。壓裂裂縫垂向延伸至弱面時(shí)，將沿弱面處的低應(yīng)力區(qū)延伸，形成“工”型縫（圖4），最終可能與頂?shù)装甯浇畬樱ɑ規(guī)r巖溶裂隙水、砂巖裂隙水）溝通，而煤儲(chǔ)層中有效裂縫減少。

圖3 ZL-051井壓裂施工曲線 圖4 “工”型壓裂裂縫示意圖

3 生產(chǎn)建議

目前采氣區(qū)北部煤層氣井已進(jìn)入產(chǎn)氣階段，而南部煤層氣井尚未開始產(chǎn)氣，南北煤層氣井的產(chǎn)水差異導(dǎo)致煤層氣井難以形成大面積的解吸。為實(shí)現(xiàn)區(qū)塊15#煤的整體壓降，建議對(duì)采氣井進(jìn)行差異化排采及套管開窗側(cè)鉆，以提高煤層氣井的產(chǎn)氣能力。

3.1 差異化排采

目前南燕竹采氣區(qū)煤層氣井多采用“56mm管式泵+抽油機(jī)”，南部高產(chǎn)水井抽油機(jī)工作負(fù)荷較大。由于地層水由北部流向南部進(jìn)入“滯留區(qū)”，加大南部煤層氣井的排采強(qiáng)度，實(shí)際上也為北部煤層氣井分擔(dān)了排水降壓的任務(wù)，因此南部產(chǎn)水量在20～40m3/d的井應(yīng)更換70mm的管式泵，對(duì)產(chǎn)水量突破40m3/d的井則采用螺桿泵，增加南部煤層氣井的排采強(qiáng)度。同時(shí)，對(duì)于北部動(dòng)液面較低、產(chǎn)水量小的煤層氣井，更換44或38mm的泵，并調(diào)低沖次，降低排采強(qiáng)度。通過排采強(qiáng)度差異化，使得單井的壓降傳遞更遠(yuǎn)，從而最終形成區(qū)域整體降壓。

3.2 小井眼側(cè)鉆

小井眼側(cè)鉆技術(shù)在常規(guī)油氣開發(fā)應(yīng)用廣泛，可以解決儲(chǔ)層近井筒污染、提高油氣采收率[13，14]。針對(duì)南燕竹采氣區(qū)構(gòu)造煤發(fā)育的特點(diǎn)，為避免水力壓裂造成壓裂液、煤粉混合造成裂縫堵塞，可采用小井眼側(cè)鉆技術(shù)。在煤層氣15#煤頂板處套管開窗后，對(duì)15#煤進(jìn)行多方位、多分支、單支80-100m的水力噴射鉆井，這些小井眼作為“主裂縫”，與煤儲(chǔ)層中的天然裂隙聯(lián)通，形成大面積裂縫系統(tǒng)，可大大增加煤層中有效裂縫的溝通范圍，有助于在煤層排水降壓過程形成大面積的解吸，進(jìn)而提高單井產(chǎn)氣量。

4 結(jié)論

1）南燕竹采氣區(qū)15#煤北部為背斜核部，向南地層傾角變大，而且煤層氣井初始水頭北部高、南部低，因此地層水由北向南的流動(dòng)，在采氣區(qū)南部形成地層水“滯留區(qū)”，地層水在空間上產(chǎn)生分異。

2）采氣區(qū)15#煤中碎裂煤及碎粒煤等構(gòu)造煤非常發(fā)育，加上煤巖低機(jī)械強(qiáng)度、高泊松比，壓裂裂縫呈“工”型集中在近井筒地帶，煤層中有效裂縫少，這些壓裂裂縫溝通了頂?shù)装甯浇暮畬?，造成采氣區(qū)北部煤層氣井產(chǎn)水量明顯低于南部。

3）針對(duì)采氣區(qū)南北部煤層氣井產(chǎn)能的差異，建議對(duì)泵型進(jìn)行更換，加大南部高產(chǎn)水井的排采強(qiáng)度的同時(shí)，降低北部煤層氣井的排采強(qiáng)度，通過差異化排采，實(shí)現(xiàn)區(qū)域整體降壓。同時(shí)，利用小井眼側(cè)鉆技術(shù)，在15#煤層中進(jìn)行多方位、多分支的側(cè)向鉆井，增加煤層有效裂縫的溝通范圍，提高單井產(chǎn)氣量。

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作者簡介：胡奇（1988-），男，湖北省長陽縣人，碩士。